岩土力学课件-第四章土的压缩性和地基沉降.ppt
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1、第一节第一节 概述概述第四章 土的压缩性和地基沉降计算影响沉降的因素:影响沉降的因素:1 1、建筑物的重量及其分布情况;建筑物的重量及其分布情况;2 2、地基土层的种类、各土层的厚度以及土的压缩性、地基土层的种类、各土层的厚度以及土的压缩性的大小。的大小。地基基础沉降地基基础沉降 上部结构产生附加应力上部结构产生附加应力影响影响建筑建筑物的安全和其正常使用物的安全和其正常使用计算沉降量、沉降差计算沉降量、沉降差 控控制在容许范围内制在容许范围内?4/13/20231课件土的压缩性指标土的压缩性指标:a,Cc,Es,E0一、侧限压缩试验(固结试验)一、侧限压缩试验(固结试验)侧限应力状态应力特点
2、:侧限应力状态应力特点:1 1/=z z/3 3/=K=K0 0 1 1/=K=K0 0 z z/(一)、压缩曲线(一)、压缩曲线1 1、压缩试验和压缩试验和 1 1 曲线曲线 加荷段加荷段:侧限变形模量侧限变形模量c cB B/o o A A竖向应力竖向应力第二节土的压缩性图图4-24-2侧限条件下土侧限条件下土的的 关系曲线关系曲线图图4-14-1侧限侧限4/13/20232课件B B、卸荷段:、卸荷段:E Ee eE Es sC C、再加荷段:、再加荷段:压缩性减少压缩性减少应力历史对土的土的压缩性有显著的影应力历史对土的土的压缩性有显著的影响。响。2 2、e e /曲线、曲线、压缩模量
3、压缩模量(侧限侧限压缩模量压缩模量)设设V Vs s=1,=1,由三相图由三相图4-44-4可得可得:施加施加/前试件中的固体体积前试件中的固体体积V Vs s:(a)(a)施加施加/后后(b)(b)侧向侧向=0,A=A=0,A=A/,V Vs s=V=Vs s/因此因此(4-2)(4-2)e试件横截面积试件横截面积A A图图4-44-4三相草图三相草图固体(土粒)固体(土粒)孔隙孔隙H H0 0e01S4/13/20233课件 e e /曲线的应用:曲线的应用:(1 1)、求土的压缩系数和压缩指数)、求土的压缩系数和压缩指数 利用利用(4-2)(4-2)可绘制可绘制e e /曲线曲线,所以曲
4、线所以曲线上任一点的切线斜率就表示了相应压上任一点的切线斜率就表示了相应压 力力/作用下作用下土的压缩系数土的压缩系数一般取某点的自重应力一般取某点的自重应力 1 1/增加到外荷增加到外荷作用下的土中应力作用下的土中应力 2 2/的割线斜率表示的割线斜率表示压缩系数:压缩系数:式中:式中:1 1/指地基某深度处土中竖向指地基某深度处土中竖向自重应自重应力,力,(kPa)(kPa)2 2/指地基某深度处土中指地基某深度处土中自重应力与自重应力与附加应力之和,附加应力之和,(kPa)(kPa)/(kPa)(kPa)1 1/2 2/e e1 1e ee e2 2o o图图4-3 4-3 土的压缩曲线
5、土的压缩曲线(a)4/13/20234课件e e1 1 相应于相应于 1 1/作用下压缩稳定后的孔隙比;作用下压缩稳定后的孔隙比;e e2 2 相应于相应于 2 2/作用下压缩稳定后的孔隙比;作用下压缩稳定后的孔隙比;为便于比较和应用,评价土的压缩性时,一般取为便于比较和应用,评价土的压缩性时,一般取 1 1/=100 kPa,=100 kPa,2 2/=200 kPa=200 kPa时所时所得的得的压缩系数压缩系数a a1-21-2来评来评价土的压缩性如下价土的压缩性如下中中压缩性压缩性高高压缩性压缩性低低压缩性压缩性0.50.1a a1-21-2(MPa(MPa-1 1)4/13/2023
6、5课件(2 2)、求土的、求土的压缩模量压缩模量(侧限侧限压缩模量压缩模量)(3)(3)、土的体积压缩系数、土的体积压缩系数mmV V=1/E=1/Es s=a/(1+e=a/(1+e1 1)3 3、e lge lg/曲线求压缩指数曲线求压缩指数 在压力较大部分,在压力较大部分,e lge lg/关系接近直线,关系接近直线,其斜率称为土的压缩指数其斜率称为土的压缩指数图图4-3 4-3 土的压缩曲线土的压缩曲线e/ccce(b)4/13/20236课件卸载段和再加载段的平均斜率称为土的回弹指数或再压缩指数卸载段和再加载段的平均斜率称为土的回弹指数或再压缩指数C Ce eC Ce e C Cc
7、c 工程中,为减少土的孔隙比,工程中,为减少土的孔隙比,从而达到加固土体的目的从而达到加固土体的目的,常采用常采用砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法。砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法。(二二)、先期固结压力、先期固结压力1 1、p p的确定的确定指土层在历史上曾经受过的最大压力(指有效应力)。指土层在历史上曾经受过的最大压力(指有效应力)。4/13/20237课件12(1 1)C C法法 采用卡萨格兰德采用卡萨格兰德(Casagrand)(Casagrand)作图法作图法确定。确定。mm点为点为e-lge-lg/曲线上曲线上曲率半径最小曲率半径最小的点的点(2 2)C Cc c法法 (土力学
8、与环境土工学(土力学与环境土工学 胡中雄胡中雄 同济大学出版社)同济大学出版社)(3 3)S S法(同上)法(同上)m3Dlg/erminp图图4-5 4-5 确定的确定的C C法法4/13/20238课件2 2、根据、根据 p p划分土层划分土层h现在地表现在地表早期地表早期地表(a a)正常固结)正常固结 p=shpp=hps=h早期地表早期地表现在地表现在地表(b b)超固结)超固结 p shph现在地表现在地表早期地表早期地表(c c)欠固结)欠固结 p shhp 正常固结、超固结、欠固结这三种状态不是固定不变的,随着外界正常固结、超固结、欠固结这三种状态不是固定不变的,随着外界条件的
9、变化可以从一种状态转化成另一种状态。条件的变化可以从一种状态转化成另一种状态。4/13/20239课件3、超固结比超固结比OCR=OCR=p/sOCROCR愈大,土的固结度愈高,压缩性愈小。愈大,土的固结度愈高,压缩性愈小。(三)、原位压缩(三)、原位压缩曲线和曲线和原位再压缩原位再压缩曲线曲线ecemB0.42e0e0pFEce132原位压原位压缩曲线缩曲线Ds+zs室内曲线室内曲线Ds图图4-74-7原位压缩原位压缩曲线和曲线和原位再压缩原位再压缩曲线曲线m(a(a)(b(b)B1/e0.42e032p室内曲线室内曲线e0cccc/s4/13/202310课件1 1、试验原理、试验原理 (
10、动画动画)2 2、试验目的、试验目的 a a、测定土的应力、测定土的应力应变关系(压缩性)应变关系(压缩性)和抗剪强度和抗剪强度 b b、测定土的孔压系数、测定土的孔压系数A A、B B 不排水试验只施加不排水试验只施加 试件上试件上试件上试件上只施加只施加 3 3、试验结论(试验结论(光盘光盘第四章第四章.三轴试验三轴试验)显然,影响土压缩性的因素有:显然,影响土压缩性的因素有:应力历史、受力条件、土的类型应力历史、受力条件、土的类型图4-8二、三轴压缩试验4/13/202311课件(一一)、变形模量与泊松比、变形模量与泊松比 变形模量的定义:变形模量的定义:变形模量又分为变形模量又分为 切
11、线变形模量切线变形模量E Et t、割线变形模量、割线变形模量E Esese 、初始变形模量、初始变形模量E Ei i泊松比泊松比:图 4-11 土的各种4/13/202312课件1 1、从三轴压缩、从三轴压缩排水排水试验求割线变形模量试验求割线变形模量E Esese 和和 式中式中 v v 、1 1、可实测,故可求可实测,故可求E Esese 和和 2 2、推导、推导变形模量与变形模量与侧限侧限压缩模量的关系压缩模量的关系在在侧限侧限压缩试验中压缩试验中(1 1)由虎克定律由虎克定律(2 2)按按侧限条件侧限条件(3 3)K K0 0=/(1-1-)(4 4)联立解以上四式得联立解以上四式得
12、4/13/202313课件(二)、普遍应力(二)、普遍应力应变关系应变关系三、载荷试验与旁压试验三、载荷试验与旁压试验(一)、载荷试验(静载荷试验、(一)、载荷试验(静载荷试验、平板载荷试验)平板载荷试验)目的:测定土的变形模量目的:测定土的变形模量式中式中p p、SS分别为分别为0p0pcrcr段曲线上段曲线上某点的压力值和沉降值。某点的压力值和沉降值。图4-124/13/202314课件地基变形的三个阶段:地基变形的三个阶段:1.1.压密阶段压密阶段 (oaoa)2.2.局部剪损阶段局部剪损阶段(abab)3.3.破坏阶段破坏阶段4.4.三阶段之间的界限荷载三阶段之间的界限荷载p pcrc
13、r和和p pu u sP=P/Ap pcrcrp pu uab图图4-134-13 载荷试载荷试验的沉降曲线验的沉降曲线4/13/202315课件适用条件:地表下适用条件:地表下12m12m(二二)、旁压试验、旁压试验又称横压试验,其原理与载荷试验又称横压试验,其原理与载荷试验差不多,只不过将竖向加载改为水差不多,只不过将竖向加载改为水平加载。平加载。但该方法仅适用均质土,对各向异但该方法仅适用均质土,对各向异性土,则应加以修正。性土,则应加以修正。四、土的压缩性特征四、土的压缩性特征图4-144/13/202316课件第三节 地基沉降量计算一、一维压缩基本课题一、一维压缩基本课题 在厚度在厚
14、度H H的土层上面施加连续均布荷载的土层上面施加连续均布荷载p(p(图图4-15a),4-15a),类似于类似于側限压缩试验的情况,側限压缩试验的情况,一维压缩问题。一维压缩问题。pmnmne1土层 HS岩层图图4-154-15土层一维压缩土层一维压缩(a)4/13/202317课件e e1 1e ee e2 2o opp1=H/2H/2H/2ppH z zpp1p2(a)(b)沉降计算公式推导沉降计算公式推导根据式(根据式(4-24-2)可求得一条件下土层的)可求得一条件下土层的压缩变形量压缩变形量S S与土的孔隙比变化之间与土的孔隙比变化之间关系如下关系如下 式中式中AA作用于土层厚度范围
15、内的附加应力面积作用于土层厚度范围内的附加应力面积p p 作用于土层厚度范围内的平均附加应力作用于土层厚度范围内的平均附加应力4/13/202318课件二、沉降计算分层总和法二、沉降计算分层总和法 分层总和法是目前最常用的地基沉降计算方法。分层总和法是目前最常用的地基沉降计算方法。(一一)基本原理)基本原理 (1 1)、基础的平均沉降量等于若干薄层压缩量之)、基础的平均沉降量等于若干薄层压缩量之 和,即和,即 (4-244-24)(2 2)、只计算基础中心点的附加应力)、只计算基础中心点的附加应力 z z (3 3)、将地基分为)、将地基分为若干薄层,视为无側胀若干薄层,视为无側胀 利用室内试
16、验成果公式(利用室内试验成果公式(4-184-18)至()至(4-234-23)4/13/202319课件(二)、计算步骤(二)、计算步骤 1 1、绘制基础中心下地基的自、绘制基础中心下地基的自 重应力分布曲线和附加应力分重应力分布曲线和附加应力分 布曲线,布曲线,求求 、注:基底附加压力注:基底附加压力(见第三章)(见第三章)2 2、确定沉降计算深度(压缩、确定沉降计算深度(压缩下限深度)下限深度)一般房屋基础,经验公式(一般房屋基础,经验公式(4-4-2525)zn地下水位地下水位土层土层1 1土层土层2 2土层土层3 3pp0SDBHi受 压 层附加应力附加应力分布曲线分布曲线自重应力自
17、重应力分布曲线分布曲线沉降计算深度沉降计算深度P土层土层4 4Dzi-1zi图图4-16 4-16 分层总和法计算地基沉降分层总和法计算地基沉降4/13/202320课件如压缩下限下部还有更软的土层,则计算至该土层底面如压缩下限下部还有更软的土层,则计算至该土层底面为止;为止;如压缩层内部有基岩,则受压层深度计算至新鲜岩土为如压缩层内部有基岩,则受压层深度计算至新鲜岩土为为止;为止;3 3、分层厚度的确定:、分层厚度的确定:;天然土层交界面及地下水面为特;天然土层交界面及地下水面为特定的分界面。定的分界面。4 4、计算分层沉降量、计算分层沉降量S Si i由由按式(按式(4-184-18)可求
18、)可求S Si i4/13/202321课件采用式(采用式(4-204-20)时,由附加应力)时,由附加应力面积面积A A求沉降,该法又称求沉降,该法又称规范法规范法dfp0Pzi-1ziacezi图图4-17 4-17 附加应力分布图面积附加应力分布图面积Hib式中式中为平均附加应力系数为平均附加应力系数(可查表(可查表4-44-4)Zi、zi-1 为从基底算至所求土为从基底算至所求土层层i i的底面、顶面的底面、顶面5、规范法4/13/202322课件6 6、按式(、按式(4-244-24)计算基础的平均沉降)计算基础的平均沉降(三)计算中的几个问题(三)计算中的几个问题1 1、有相临荷载
19、作用时,应将相临荷载引起的附加应力叠加到基、有相临荷载作用时,应将相临荷载引起的附加应力叠加到基础自身引起的附加应力中去;础自身引起的附加应力中去;2 2、有相临荷载时,我国建筑地基基础设计规范规定采用下、有相临荷载时,我国建筑地基基础设计规范规定采用下式确定沉降计算深度:式确定沉降计算深度:式中,式中,由计算深度向上取厚度为由计算深度向上取厚度为 的土层沉降计算值;的土层沉降计算值;(可查表可查表4-54-5)S S计算深度范围内各个分层土的沉降计算值的总和。计算深度范围内各个分层土的沉降计算值的总和。具体应用时采用试算法,先假定一个沉降计算深度具体应用时采用试算法,先假定一个沉降计算深度z
20、 zn n 4/13/202323课件3 3、对于超固结土,应先求出先期、对于超固结土,应先求出先期固结压力,分两种情况计算沉降:固结压力,分两种情况计算沉降:(1 1)当)当 时,时,(2 2)当)当时,同理有:时,同理有:式中式中 sziszi第第i i土层深度土层深度z z的自重应力的自重应力 pipi 第第i i土层的先期固结压力土层的先期固结压力 C Cei ei 第第i i土层的原位再压缩指数土层的原位再压缩指数 C Cci ci第第i i土层的原位压缩指数土层的原位压缩指数/ccss+zecemB0.42e0e0pFEce132原位压原位压缩曲线缩曲线D图图4-7 4-7 原位再
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